高温热处理环境下碳纤维内部的缺陷结构

在本公众号前不久发布文章中:碳纤维缺陷尺寸与力学性能定量关系,介绍了碳纤维内部的缺陷结构尺寸与碳纤维力学性能之间的关系,而按照相关理论计算公式,碳纤维的拉伸强度与拉伸模量间的关系正相关,即:碳纤维拉伸模量越高,其拉伸强度也越高。

但对于高强高模碳纤维而言,却似乎存在相反的规律,以日本东丽高强高模碳纤维力学性能为例,碳纤维拉伸强度随着拉伸模量增加变化规律如图1所示,从图中可以看出,碳纤维拉伸强度几乎随着模量增加而线性下降。

图1 东丽高强高模碳纤维拉伸强度随模量增加的变化规律

研究表明,在高性能碳纤维制备过程中,通过提高碳化及石墨化阶段的热处理温度,可以提高纤维内部微晶排列,并实现纤维内部微晶尺寸的增加,因此随着热处理温度提高,碳纤维拉伸模量逐渐增加。

对于PAN基碳纤维的拉伸强度而言,当热处理温度为1500℃左右时,碳纤维的拉伸强度会达到最大值,随着碳化或石墨化温度的进一步提升,PAN基碳纤维的拉伸强度却出现大幅下降,如图2所示。

图2 热处理温度对碳纤维力学性能的影响规律

高性能沥青基碳纤维随着热处理温度增加,碳纤维拉伸强度和拉伸模量会同时提升,这是由于中间相沥青易于发生石墨化,热处理后内部产生石墨片层结构,如图3所示。热处理温度提升有助于沥青基碳纤维内部石墨片层的增长及取向,结构日趋完善,因此强度和模量出现同时提升。

图3 高性能沥青基碳纤维内部的石墨片层结构

而PAN基碳纤维拉伸强度之所以在高于1500℃后出现显著下降,其根本原因就在于纤维内部缺陷结构大幅增加。图4为日本东丽T700纤维分别经过2300℃、2800℃高温石墨化处理后纤维界面形态结构示意图,从图中可以清晰看出,随着石墨化温度提升,碳纤维内部孔隙缺陷结构逐渐增加。

图4 热处理温度对碳纤维内部结构影响(来源:carbon)

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